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» 2020年04月08日 11時00分 公開

48Vマイルドハイブリッドの課題解決につながる?:48V分散型電源アーキテクチャの利点とは (1/2)

自動車の電動化で多くのメーカーが採用する48Vマイルドハイブリッドシステムは、CO2排出量を削減しながら、パフォーマンスと機能を同時に向上できるというメリットがある一方で、さまざまな課題もある。今回、その課題解決が期待できる「48V分散型電源アーキテクチャ」について解説する。

[Patrick Wadden(Vicor),EDN Japan]

利点とともに課題も多い「48Vマイルドハイブリッドシステム」

 自動車、トラック、バスおよび電動二輪車のメーカーは、内燃機エンジンのCO2排出量を削減するために、急速に電動化を進めています。電動化には多くの選択肢がありますが、その中でも、多くのメーカーがフルハイブリッドパワートレインではなく、48Vのマイルドハイブリッドシステムを選択しています。

 マイルドハイブリッドシステムでは、従来の12Vバッテリーに加えて48Vのバッテリーが追加されます。これにより、配電システムの電力容量は4倍(P=V・I、電流が同じとして)に増大し、エアコンや触媒コンバーターなどの重い負荷が利用できるようになります。48Vシステムを使うことで、高速においてもスムーズに加速できるハイブリッドモーターを駆動することができるので、燃料消費を減らしながら、車両の性能を向上させることができます。また、電力に余裕ができるためステアリング、ブレーキ、サスペンションシステムを動かすことができるようになり、安全、エンタテイメント、快適の機能も向上させることができます。

 48Vマイルドハイブリッドシステムの導入には多くの課題があります。特に、長年使ってきた12Vの電力供給ネットワーク(PDN)を変更することは、最大の課題かもしれません。PDNを変更するには、さまざまなテストをクリアするための革新的な技術と、自動車産業で求められる高い安全性および品質の基準をクリアできるサプライヤーが必要です。

 一方で、データセンターの分野では48V電力供給ネットワーク(PDN)へ移行が進んでおり、コストを上回る強みを見いだしています。

 自動車業界にとって、48Vマイルドハイブリッドシステムは、環境負荷が低く、航続距離が長く、燃費がよい車を迅速に市場投入するための最良のシステムであり、CO2排出量を削減しながら、パフォーマンスと機能を同時に向上させるという、今までにない魅力的なシステムを作ることが可能になります。

48V電力供給ネットワークの利点を生かすには

 48Vのバッテリーを追加してパワートレインとシャシーシステムの増大する負荷へ給電する方法は、いくつかの構成が考えられます。48Vを直接給電できるシステムを使う、または、48Vから12Vに変換するDC-DCコンバーターを介して従来の12V負荷を動かす構成です。マイルドハイブリッド電力供給システムは48Vの負荷を少しずつ採用していますが、車両に点在する12V負荷へ給電するために、大型(数kW)の集中電源48V-12V DC-DCコンバーターを使います。しかしながら、この集中型のアーキテクチャは48V PDNの利点を十分に生かせません。

図1:従来の集中型12V配電アーキテクチャ/図2:48V分散型アーキテクチャ

 ほとんどの集中型DC-DCコンバーター(図1)は、スイッチング周波数が低い古いPWM技術を用いているため、かさばって重くなります。また、この方式は、多くのパワートレインシステムに対して致命的な、単一障害点ができることになります。

 集中型アーキテクチャではなく、モジュールを用いて構成する分散型給電アーキテクチャ(図2)では、車両全体に分散した12V負荷の近くに、小型で電力容量が小さい48V-12VのDC-DCコンバーターを配置しています。12V配電より48V配電が高効率である理由は、簡単な電力方程式P=V・IおよびPLOSS=I2Rで説明することができます。

 電力が同じとすると、48Vシステムは12Vシステムに比べて電流が4分の1になるため、配電損失を16分の1に低減することができます。また、電流が減るため、ケーブルとコネクターは小型、軽量で、安価にすることができます。分散型電源アーキテクチャは、温度管理と電源システムの冗長性の点で大きなメリットがあります(図4)

図3:一般的なDC-DCコンバーター(効率:94%)/図4:VicorのDC-DCコンバーター(効率:98%)
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